第8讲-干法刻蚀

微/纳制造工艺技术Microfabricationtechnology第八讲：干法刻蚀乔大勇课程内容光刻一干法刻蚀等离子基础反应离子刻蚀深度反应离子刻蚀一干法刻蚀为什么要进行干法刻蚀少量大量化学试剂使用可接受高（可批量化）产率高低设备价格可接受，可控高，不可控选择性可接受，可控高，可控刻蚀速率可控同性或异性腐蚀图形非常小3微米腐蚀偏差干法刻蚀湿法腐蚀腐蚀参数干法刻蚀为什么要进行干法刻蚀两类腐蚀方法的比较腐蚀类别腐蚀材料腐蚀试剂湿法腐蚀SiliconKOH,TMAH,EDPSiliconNirtideH3PO4SiliconOxideHFAlH3PO4干法刻蚀Silicon,PolysiliconSF6SiliconNitrideCF4SiliconOxideCHF3AlCl2干法刻蚀干法刻蚀包括：光子束刻蚀、中子刻蚀和等离子刻蚀等多种形式。在半导体技术中，等离子刻蚀是干法刻蚀中最常用的技术。等离子体采用射频技术产生，以SF6为例，其中包括中性粒子、电子(e)、活性自由基(F)、带正电的粒子(SF5+)和带负电的离子(F-)。其中带正电离子的作用是在暗区电场的加速作用下，实现对目标的物理轰击，而活性自由基的作用则是吸附在目标表面上并与目标材料发生化学反应生成挥发性产物。物理轰击能够促进化学反应的进行，并通过溅射去除淀积在目标表面的反应副产物。等离子基础宇宙中90％物质处于等离子体态，闪电和极光是自然界中的等离子体。所有的恒星，都是高温等离子体的聚合。所有生命也起源于等离子体状态。等离子基础等离子体-产生等离子基础等离子体-产生gasAre-Ar+e-Ar+e-Ar+ArSheath-V+RF13.56MHz,1000W等离子基础等离子体-产生等离子基础Excitation(激发）跃迁等离子体-产生eAAe+→+*对于CF4，激发需要4.0eV的能量。其中，*符号代表激发态原子，激发态只能持续十亿分之一秒到几秒，就会通过驰豫跃迁回基态等离子基础等离子体-产生)(*PhotoshAAν+→Relaxation(驰豫)在驰豫的过程中会发射光子。由于不同原子或分子的频率不同，不同气体等离子体的颜色也不同等离子基础等离子体-产生Dissociation(分裂)对于CF4，分裂需要12.5eV的能量。分裂产生的自由分子或原子比分裂前更容易发生发应，非常具有活性，称为活性自由基，是化学刻蚀的基础eBAABe++→+等离子基础等离子体-产生Ionization(电离)对于CF4，电离需要15.5eV的能量。太阳中心的电离率是100％，而在大多数等离子体设备中，电离率都小于0.001%，电离维持了等离子的存在。eAAe2+→++等离子基础激发和驰豫过程使得等离子体发光分裂过程形成了具有化学活性的分子或原子（活性自由基），是等离子体进行化学刻蚀的基础电离过程中形成更多的电子和离子，能够维持等离子体的存在，并借助离子的轰击作用实现物理刻蚀。等离子体-产生等离子基础SiF2是挥发性的但不能自行解吸附，需要离子辅助解吸附SiF3是不挥发性的SiF4是挥发性的，可以自行解吸附等离子体-在刻蚀中的作用特气名称刻蚀对象氯基：Cl2,BCl3Al合金,Ti,TiN,光刻胶氟基：SF4,CF4,CHF3W,TiW,SiO2,光刻胶氧基：O2,O3,CO2,H2O光刻胶↑→+++⇔++→+4343442SiFFSieFCFeCFCFFCF等离子基础等离子体-在刻蚀中的作用前两个氟原子与硅形成挥发性的SF2，但其不能自行解吸附而离开基底表面第三个氟原子或者促使SF2解吸附离开基底表面或者与SF2结合形成SF3不挥发性物质所形成SF3直到与第四个氟原子结合形成挥发性的SF4并自行解吸附离开基底表面1234等离子基础硅烷和笑气在等离子氛围下生成二氧化硅，在等离子的辅助作用下，可以在较低的温度下获得较高的反应速率，这种反应叫做PECVD(PlasmaenhancedCVD)。OHSiOOSiHeONONeeHSiHSiHe222222432+→+++→+++→+−−−−等离子体-在淀积中的作用等离子基础PlasmaArPump-V+RFAr+e-等离子体-等离子电势Vp等离子基础等离子体-自偏压PlasmaArPump-V+RFAr+e-VpTargetWaferVDC等离子体-自偏压和极板面积关系等离子基础412=−AAVVVPDCPVDC介于200V～1000V等离子基础等离子体-物理刻蚀PlasmaArPump-V+RFAr+e-WaferAr+等离子基础等离子体-化学刻蚀PlasmaPump-V+RFOe-WaferO2OO+有机物=CO+CO2+H2O等离子基础等离子体-化学钝化PlasmaPump-V+RFOe-WaferO2OSF6FSiF4SiOxFyF等离子基础等离子体-物理刻蚀＋化学刻蚀PlasmaPump-V+RFCF3+e-WaferCF3+CF4FF4F+Si=SiF4反应离子刻蚀反应离子的定义反应离子刻蚀是指利用能与被刻蚀材料起化学反应的气体，通过辉光放电使之形成低温等离子体，对基底表面未被掩蔽部分进行干法刻蚀的工艺，是利用带电离子对基底的物理轰击与活性自由基与基底的化学反应的双重作用进行刻蚀。各向同性＋各向异性RIE(ReactiveIonEtching)shouldbeIAE(IonAssistantEtching)反应离子刻蚀刻蚀过程(物理＋化学)反应离子刻蚀刻蚀过程(淀积＋刻蚀)200eV0离子轰击能量淀积刻蚀12CHF3氟/碳比模型（F/C）加H2加O23C2F64CF45C3F8刻蚀淀积分界线增加反应室压力增强各向异性增强各向异性增加SiO2/Si的选择比反应离子刻蚀刻蚀过程(淀积＋刻蚀)采用TEOS热分解制备的二氧化硅是富碳型的，被刻蚀二氧化硅表面在CHF3等离子氛围内容易生长聚合物，造成RIE草地现象，它不利于一个干净工艺层的形成，导致器件失效，刻蚀对象典型刻蚀气体每组刻蚀气体特点二氧化硅SF6,CF4/O2偏各向同性，侧向刻蚀严重，对硅的选择性差CF4/H2,CHF3/O2偏各向异性，对硅有选择性CHF3/C4F8/CO偏各向异性，对氮化硅选择性高氮化硅CF4/O2偏各向同性，对硅的选择性差，对二氧化硅的好CF4/H2,偏各向异性，对硅的选择性好，对二氧化硅的差CHF3/O2偏各向异性，对硅和二氧化硅选择性都好多晶硅SF6,CF4偏各向同性，侧向刻蚀严重，对二氧化硅的选择性差CF4/H2,CHF3偏各向异性，对二氧化硅没有选择性CF4/O2偏各向同性，对二氧化硅选择性高刻蚀三种常见薄膜常用气体组合反应离子刻蚀被刻蚀对象反应室压力(Pa)反应气体流量(sccm)射频功率(W)片台水冷温度(℃)刻蚀速率(纳米/分钟)二氧化硅(或磷硅玻璃)1.6CHF3303002033氮化硅10CF4402002050多晶硅10SF64020020800反应离子刻蚀本实验室刻蚀三种常见薄膜常用工艺参数及刻蚀速率反应离子刻蚀反应离子刻蚀工艺存在的问题两个矛盾1、压力和等离子密度之间的矛盾Lesspressure,lesscollisionandbetteranisotropy,butlessplasmadensity(Lowradicalsconcentrationandhighionenergy)2、射频功率和等离子密度之间的矛盾LargeRFpower,higherplasmadensitybuthigherbiasvoltageandhighersubstratedamageandhighcontaminationRIE的侧向刻蚀无法得到陡直的侧壁，无法实现深刻蚀深度反应离子刻蚀深度反应离子刻蚀深度反应离子的定义深度反应离子刻蚀(DRIE,DeepReactiveIonEtching)又叫高密度等离子刻蚀或感应耦合等离子刻蚀(ICP,InductivelyCoupledPlasma)：它将等离子的产生和自偏压的产生分别用两个独立的射频源进行，有效避免了RIE刻蚀中射频功率和等离子密度之间的矛盾；它采用刻蚀和钝化交替进行的Bosch工艺以实现对侧壁的保护，能够实现可控的侧向刻蚀，可以制作出陡直或其它倾斜角度的侧壁；它的出现，对MEMS技术的发展是一个巨大的推动目前著名的ICP厂商为英国的STS和法国的Alcatel深度反应离子刻蚀深度反应离子的定义垂直侧壁倒金字塔侧壁深度反应离子刻蚀Bosch工艺光刻胶硅聚合物深度反应离子刻蚀C4F8在等离子氛围内产生CF2活性自由基，CF2活性自由基在沟槽侧壁与底部淀积形成钝化层。由于自由基是电中性的，不受到暗区电场的加速，没有方向性，所以钝化膜的淀积在沟槽底部和侧壁都是均匀的Bosch工艺-钝化原理反应气体：C4F8钝化时关闭PlatenPower深度反应离子刻蚀SF6在等离子氛围内产生SxFy离子和F活性自由基。SxFy离子轰击沟槽侧壁与底部的钝化层Bosch工艺-刻蚀原理(1)反应气体：SF6/O2刻蚀时打开PlatenPower深度反应离子刻蚀由于暗区电场的加速作用，离子在垂直方向上比在水平方向上占优，首先将沟槽底部的钝化膜打穿，而这时候沟槽侧壁上尚留有一层厚度小于初始厚度的钝化膜，此时F自由基与硅反应生成挥发性产物SiFx，实现对沟槽底部的刻蚀，直至侧壁的钝化膜消耗完毕再开始新的循环Bosch工艺-刻蚀原理(2)反应气体：SF6/O2刻蚀时打开PlatenPower深度反应离子刻蚀Bosch工艺-刻蚀原理(3)刻蚀过程中加入氧气的作用是和反应产物SiFx生成钝化保护膜淀积在侧壁上保护侧壁反应气体：SF6/O2刻蚀时打开PlatenPower↓→+yxFSiOSiFO4深度反应离子刻蚀DRIE-侧壁形貌控制PositiveTooptimise:IncreaseetchplatenpowerReducepressurePerfectTrenchBowingTooptimize:ReduceetchplatenpowerReducepressure深度反应离子刻蚀DRIE-若干问题及其解决途径：RIELagRIELagReverseRIELag深度反应离子刻蚀DRIE-若干问题及其解决途径：RIELag增加压力，可增加CF2自由基和F自由基的密度，但是降低SxFy离子的密度，将反应从对钝化不敏感，对刻蚀敏感过渡到对刻蚀不敏感，对钝化敏感Chen-KueiChung,Geometricalpatterneffectonsilicondeepetchingbyaninductivelycoupledplasmasystem,J.Micromech.Microeng.14,2004656-662深度反应离子刻蚀DRIE-若干问题及其解决途径：RIELag“HaloMask”:在使用SOI硅片的时候，可以增加“假结构”到有用结构之间，假结构象光晕一样包围在有用结构外面，保证所有的结构都是等间距的。最后释放结构时，假结构可以随二氧化硅的腐蚀而脱落，但是此方法的适用范围较小R.Khanna,X.Zhang,J.ProtzandA.A.Ayón,MicrofabricationProtocolsforDeepReactiveIonEtchingandWafer-LevelBonding,SENSORS,Vol.18,No.4,pp.51-60,April2001.深度反应离子刻蚀DRIE-若干问题及其解决途径：Notching“Notching”的形状类似于Bowing，但是发生在沟槽的开口处而非中间位置，与离子的二次轰击无关，至今没有较好的解决方法。通过增加钝化气体流量、钝化时间、降低Platen功率等方法缓解深度反应离子刻蚀DRIE-若干问题及其解决途径：Undercut(Scalloping)深度反应离子刻蚀DRIE-若干问题及其解决途径：Undercut(Scalloping)深度反应离子刻蚀DRIE-若干问题及其解决途径：Undercut(Scallo